Автор AZoNano 23 октября 2020 г.

Шесть лет назад Нобелевская премия по химии была присуждена трем ученым за поиск способов визуализации путей движения отдельных молекул внутри живых клеток.

Теперь исследователи из Университета Рочестера и Института Френеля во Франции нашли способ визуализировать эти молекулы еще более детально, показывая их положение и ориентацию в 3D, и даже то, как они качаются и колеблются. Это может пролить бесценную информацию о происходящих биологических процессах, например, когда клетка и белки, регулирующие ее функции, реагируют на вирус COVID-19.

«Когда белок меняет форму, он обнажает другие атомы, которые усиливают биологический процесс, поэтому изменение формы белка оказывает огромное влияние на другие процессы внутри клетки», говорит Софи Брасселет. Директор Института Френеля, сотрудничавший с профессорами Мигелем Алонсо и Томасом Брауном из Института оптики в Рочестере. Способ отслеживать это изменение формы – это посмотреть на ориентацию флуоресцентных молекул, прикрепленных к интересующему белку.

Технология «Координатно-высотная визуализация со сверхвысоким разрешением с дизерингом и ориентацией (CHIDO)» описанная в Nature Communications была разработана и создана соавторами Валентиной Курчо, аспирант в группе Брасселе и Луис А. Алеман-Кастанеда, аспирант в группе Алонсо. CHIDO включает стеклянную пластину, подвергающуюся равномерному напряжению по всей периферии. Помещенная в плоскости Фурье на задней части флуоресцентного микроскопа, пластина преобразует изображение отдельной молекулы в искаженное фокусное пятно, форма которого напрямую кодирует трехмерную информацию.

С научной точки зрения, фазовая пластинка с пространственно изменяющимся двулучепреломлением имеет распределение двулучепреломления с тригональной симметрией. Фактически, он может создавать лучи со всеми возможными состояниями поляризации.

«Это одна из прелестей оптики», – говорит Браун. « Если у вас есть устройство, которое может создать практически любое состояние поляризации, то у вас также есть устройство, которое может анализировать практически любое возможное состояние поляризации».

Пластина была создана в лаборатории Брауна как часть его давнего интереса к разработке лучей с необычной поляризацией. Алонсо, специалист по теории поляризации, работал с Брауном над способами усовершенствования этого «очень простого, но очень элегантного устройства» и расширения его приложений. Во время визита в Марсель Алонсо описал пластину Брасселе, эксперту по новым приборам для флуоресценции и нелинейной визуализации. Брасселе сразу же предложила его возможное использование в методах микроскопии, над которыми она работала для изображения отдельных молекул.

«Это была очень дополняющая команда», – говорит Брасселет.

20 лет разработки

В 1873 году Эрнст Аббе постановил, что микроскопы никогда не будут иметь лучшего разрешения, чем половина длины волны света. Этот барьер стоял до тех пор, пока нобелевские лауреаты Эрик Бетциг и Уильям Моернер – с их микроскопией одиночных молекул – и Стефан Хелл – с его микроскопией стимулированного обеднения не нашли способы обойти его.

«Благодаря их достижениям оптический микроскоп теперь может вглядываться в наномир», сообщил Нобелевский комитет в 2014 году.

«Чего не хватало этой Нобелевской премии и работе в последующие годы, так это способности не только точно знать местоположение молекулы, но и уметь характеризовать ее направление и особенно ее движение в трех измерениях. " говорит Браун.

Фактически, решение, которое описывают Браун, Алонсо и Брасселет, возникло 20 лет назад.

Начиная с 1999 года Браун и одна его аспирантка, Кэтлин Янгворт, начали исследовать необычные оптические лучи, которые отображали необычные модели оптической поляризации, ориентации оптической волны. Некоторые из этих балок имели радиальный узор в виде спиц с интригующими свойствами.

Янгворт продемонстрировал на столе, что при сильной фокусировке лучи демонстрируют компоненты поляризации, которые указывают почти в любом направлении в трех измерениях.

Алексис (Спилман) Фогт, еще один кандидат наук, затем работал с Брауном над созданием тех же эффектов путем приложения напряжения к краям стеклянного цилиндра. Шурин Брауна, Роберт Сэмпсон, опытный специалист по инструментам и штампам, был призван изготовить несколько образцов и поместить их в металлические кольца для использования с конфокальным микроскопом.

Это включало нагрев как стеклянных, так и металлических колец. «Металл расширяется быстрее при нагревании, чем стекло», – объясняет Браун, «чтобы вы могли очень сильно нагреть стекло и металл, вставьте стекло в середину металл, и по мере остывания металл будет сжиматься и создавать огромную силу на периферии стекла ».

Сэмпсон непреднамеренно приложил к одной из пластин большее напряжение, чем требовалось. Как только его зять передал его ему, Браун понял, что у тарелки необычные качества. Группа из Рочестера ввела термин «искусственно созданная оптика» для описания этих элементов и, узнав больше о физическом поведении и математике, они поняли, что эти окна могут быть путем к решению совершенно новых проблем в микроскопии.

Так возникло то, что сейчас называется CHIDO. Что, по совпадению, на мексиканском сленге означает «круто».

«В то время, когда мы с Алексисом знали, что стекло, изготовленное из механических напряжений, было интересно и, вероятно, найдет полезное применение; мы просто не знали в то время, какими они могут быть», Браун говорит. Теперь, благодаря его сотрудничеству с Алонсо и Брасселетом, он надеется, что CHIDO «захватит воображение» других исследователей в этой области, которые могут помочь в дальнейшем усовершенствовании и применении этой технологии.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Инициативой совершенства Университета Экс-Марсель, исследовательской и инновационной программой Европейского Союза Horizon 2020 и программой докторских стипендий КОНАСИТ.

Источник: https://www.rochester.edu/